La supraconductivité et l’informatique quantique sont deux domaines qui se sont infiltrés des cercles théoriques dans la conscience populaire. Le prix Nobel de physique 2025 a été décerné pour des travaux sur des circuits quantiques supraconducteurs capables de piloter des ordinateurs ultra-puissants. Mais ce que l’on sait peut-être moins, c’est que ces technologies prometteuses ne sont souvent possibles qu’à des températures cryogéniques proches du zéro absolu. Malheureusement, peu de matériaux peuvent supporter de tels extrêmes. Leurs propriétés physiques précieuses disparaissent lorsque le froid s’installe.
Dans un nouvel article publié dans ScienceCependant, une équipe d'ingénieurs de l'Université de Stanford met en lumière un matériau prometteur, le titanate de strontium, ou STO en abrégé, dont les caractéristiques optiques et mécaniques ne diminuent pas à des températures extrêmement basses, mais s'améliorent en fait considérablement, surpassant de loin les matériaux existants.
Ils pensent que ces résultats suggèrent que la STO pourrait devenir la pierre angulaire de nouveaux dispositifs cryogéniques mécaniques et basés sur la lumière qui propulseraient l’informatique quantique, l’exploration spatiale et d’autres domaines à un niveau supérieur.
Le titanate de strontium a des effets électro-optiques 40 fois plus puissants que le matériau électro-optique le plus utilisé aujourd'hui. Mais cela fonctionne également à des températures cryogéniques, ce qui est bénéfique pour la construction de transducteurs et de commutateurs quantiques qui constituent actuellement des goulots d'étranglement dans les technologies quantiques », a expliqué Jelena Vuckovic, auteure principale de l'étude et professeur de génie électrique.
Performances maximales
Les effets photoniques de STO sont décrits comme « non linéaires ». Autrement dit, lorsqu’un champ électrique est appliqué, la STO modifie considérablement ses propriétés optiques et mécaniques. La non-linéarité optique (l'effet électro-optique) de la STO peut être utilisée pour modifier la fréquence, la phase, l'intensité et la courbure de la lumière d'une manière et à des degrés que d'autres matériaux ne peuvent pas. Les ingénieurs peuvent exploiter ces effets pour créer de nouveaux dispositifs à basse température, impossibles autrement.
STO est également piézoélectrique, ce qui signifie qu'il se dilate et se contracte physiquement lorsqu'un champ électrique est appliqué, ouvrant ainsi la possibilité de nouveaux dispositifs électromécaniques fonctionnant également à des températures cryogéniques. Les chercheurs ont noté que ces observations pourraient rendre la STO particulièrement utile dans les étendues froides de l’espace ou dans les réservoirs de carburant cryogénique des fusées.
« À basse température, non seulement le titanate de strontium est le matériau optique le plus accordable électriquement que nous connaissions, mais c'est aussi le matériau le plus accordable piézoélectriquement », a souligné le co-premier auteur Christopher Anderson, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Vuckovic et qui fait maintenant partie du corps professoral de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
Giroflée au bal
STO n’est pas nouveau. Il a été bien étudié depuis des décennies, mais jamais dans le contexte de l’optique cryogénique à commande électrique. « La STO n'est pas particulièrement spéciale. Elle n'est pas rare. Elle n'est pas chère », explique Giovanni Scuri, co-premier auteur et chercheur postdoctoral au laboratoire de Vuckovic. « En fait, il a souvent été utilisé comme substitut du diamant dans les bijoux ou comme substrat de croissance pour d'autres matériaux plus précieux. Bien qu'il s'agisse d'un matériau « de référence » étudié depuis des décennies, il fonctionne exceptionnellement dans un contexte cryogénique. »
Le choix de STO n'est pas le résultat d'une recherche exhaustive de candidats potentiels, mais ce n'est pas non plus un accident, a expliqué Anderson. « Nous savions de quels ingrédients nous avions besoin pour fabriquer un matériau hautement personnalisable. Nous avons découvert que ces ingrédients existaient déjà dans la nature et nous les avons simplement utilisés dans une nouvelle recette. STO était le choix évident », a-t-il déclaré. « Lorsque nous l'avons essayé, étonnamment, il correspondait parfaitement à nos attentes. »
À partir de là, l'équipe a compris comment optimiser les matériaux pour différentes conditions de fonctionnement, a déclaré Scuri, ajoutant : « Les idées que nous avons présentées peuvent également être appliquées pour découvrir d'autres matériaux non linéaires à n'importe quel régime souhaité, ou pour améliorer les performances de ceux existants. »
Les chercheurs ont été pris au dépourvu par les performances du STO. Lors de tests en laboratoire effectués à 5 degrés Kelvin (-450 F), ils ont noté des non-linéarités environ 20 fois supérieures à celles du matériau optique non linéaire le plus connu, le niobate de lithium, et presque trois fois supérieures à celles du matériau cryogénique le plus performant, le titanate de baryum. Dans d’autres expériences, les chercheurs ont utilisé leurs connaissances sur les ingrédients souhaités pour des performances optimales pour remplacer les isotopes de l’oxygène dans le cristal. Cela a poussé STO vers un seuil clé connu sous le nom de criticité quantique, avec des résultats encore plus élevés.
« En ajoutant seulement deux neutrons à exactement 33 % des atomes d'oxygène du matériau, l'accordabilité résultante a été multipliée par quatre », a noté Anderson. « Nous avons ajusté notre recette avec précision pour obtenir les meilleures performances possibles. »
Prochaines étapes
STO possède d’autres attributs pratiques qui devraient intéresser les ingénieurs, a déclaré l’équipe. Il peut être synthétisé. Il peut être modifié structurellement pour affiner ses propriétés, comme pour les isotopes de l’oxygène. Et il peut être traité à l’aide d’équipements de fabrication conventionnels, le tout à l’échelle de la tranche. Toutes ces caractéristiques suggèrent un grand potentiel pour une adoption plus large de la STO dans les applications quantiques cryogéniques, telles que les commutateurs pour lasers permettant aux ordinateurs quantiques de transmettre ou de manipuler des données.
Vuckovic a noté que l'étude a été financée en partie par l'industrie – Samsung et l'équipe d'informatique quantique de Google, qui recherchent précisément de nouveaux matériaux pour les appareils afin de propulser leurs efforts. Elle et son équipe se tournent désormais vers la réalisation de nouveaux dispositifs cryogéniques à base de titanate de strontium.
« Nous avons trouvé ce matériau sur l'étagère. Nous l'avons utilisé et c'était incroyable. Nous avons compris pourquoi il était bon. Ensuite, cerise sur le gâteau, nous avons su comment faire mieux, nous avons ajouté cette sauce spéciale et nous avons créé le meilleur matériau au monde pour ces applications », a déclaré Anderson. « C'est une belle histoire. »
